עולמו של הצופה הקוואנטי

01.06.2006
 
מימין לשמאל: תלמיד המחקר יזהר נדר, פרופ' מוטי הייבלום וד"ר דיאנה מהלו. אלקטרונים בודדים
 
 
ב"תשעה נסיכים לאמבר" מספר רוג'ר זילאזני על נסיכי העיר האמיתית  היחידה, הנעים מנקודה לנקודה ביקום תוך שהם משנים את המציאות בכוח מחשבתם. במילים אחרות, העולם אולי צפוי, אבל הרשות נתונה. כך, למשל, ההסתברות שאלקטרון שיוצא מנקודה אחת יגיע לנקודה שנייה תלויה בשאלה, האם מישהו צפה בו בדרכו, או מדד אותו בכל דרך אחרת. הצופה, על-פי אחד מעקרונותיה היותר ידועים של תורת הקוואנטים, משנה את התוצאה.
 
מדעני המרכז למחקר תת-מיקרוני שבמכון ויצמן למדע הדגימו בעבר את העיקרון הזה באלקטרונים. הם בנו מתקן ניסוי שגודלו כמיקרון (אלפית המילימטר), אשר הכיל מחסום שנפתחו בו שני פתחים; דרכם חלפו אלומות אלקטרונים, ששוגרו לעבר לוח מטרה אשר הוצב מאחורי המחסום. על-פי תורת הקוואנטים, חלקיקים תת-אטומיים מתאפיינים בקיום כפול, מצד אחד הם חלקיקי חומר, אבל באותו זמן הם גם גלים. הגלים יכולים לעבור בעת ובעונה אחת בשני הפתחים שבמחסום, ולאחר מכן להתאבך זה עם זה בכל נקודה לאורך קו המטרה. התאבכות זו יכולה להיות בונה - ואז האלקטרון מגיע לנקודה שבה מתחוללת ההתאבכות, או שהיא הורסת - ואז הגלים מבטלים זה את זה, והאלקטרון אינו מגיע למקום זה לעולם.
 
אחת השאלות המעניינות בהקשר זה היא, "מהו חלקיק קוואנטי" (שיכול להתנהג כחלקיק וכגל כאחד). אדם, למשל, לא יכול ליהנות מהמעמד הנחשק הזה, בין היתר מכיוון שגודלו גורם לכך שכשהוא נע בסביבה הוא יוצר יחסי גומלין עם הרבה מאוד גורמים בסביבה, המתפקדים כ"צופים" ששוללים ממנו את הקיום הגלי ומותירים לו את אפשרות הקיום החומרי בלבד. אם כן, איפה בדיוק עובר הגבול בין העולם הקוואנטי לעולמם של העצמים הגדולים? במקומות שונים בעולם כבר יצרו גלים של חלקיקים גדלים והולכים, כמו "כדורי בקי", שהם מבנים המכילים 60 אטומי פחמן, ואפילו של נגיפים.
 
ההתאבכות (המעידה על מעבר הגלים בשני הפתחים שבמחסום בעת ובעונה אחת) יכולה להתחולל רק כאשר אין צופים במערכת בשעת פעולתה. כאשר מציבים במערכת "צופה" שמבחין באלקטרונים שעוברים באחד מהפתחים, משתנה התמונה לחלוטין: אם ידוע שהחלקיק עבר בפתח אחד, הרי ברור שהוא לא עבר בפתח השני, כך שלא קיימים שני גלים ולא מתקיימת התאבכות. במקרה כזה, האלק-טרונים יצטברו מאחורי שני הפתחים שדרכם עברו אל צדו האחר של המחסום. כך משפיע הצופה על המציאות שהוא צופה בה.
 
ניסויים שבוצעו בעבר בתחום זה התבססו, למעשה, על סטטיסטיקה של חלקיקים רבים שעברו דרך הגלאי, כשכל אחד מחלקיקי ה"צופה" פעל כ"צופה" עצמאי ובודד, וסיפק רק חלק קטן מהמידע של הגלאי כולו. אבל באחרונה הצליחו פרופ' מוטי הייבלום, תלמיד המחקר יזהר נדר, וד"ר דיאנה מהלו וד"ר ולדימיר אומנסקי מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, לבנות מתקן ניסוי מתקדם, שדרכו (כלומר, גם בפתחים שבמחסום וגם ב"צופה הקוואנטי") עוברים אלקטרונים בודדים, בזה אחר זה. למעשה, האלקטרונים שבצופה היו כל-כך קרובים לאלקטרונים החולפים, עד שנוכחותם הרסה את ההתאבכות. לכן, כשה"צופה" הופעל, לא התקיימה התאבכות, וכאשר ה"צופה" לא פעל, התקיימה התאבכות. כאשר שונתה רגישות הצופה, דבר ששינה גם את מידת יכולתו לצפות בדייקנות בגלי האלקטרונים העוברים בחרכי המחסום, נרשם מעבר רציף מהתנהגות גלית להתנהגות חלקיקית.
 
לאחר שתבנית ההתאבכות נהרסה  לחלוטין, והאלקטרונים התנהגו כחלקיקים לכל דבר, נמדדו במקביל שתי המערכות: מערכת המחסום עם הפתחים ומערכת "הצופה הקוואנטי", כלומר, "כל העולם" מבחינתם של האלקטרונים. במדידה זו הופיעה מחדש ההתאבכות, שנעלמה במדידה הקודמת, שבה נמדדו רק האלקטרונים שחלפו דרך המחסום(וכתוצאה ממדידת ה"צופה" עברו למופע החלקיקי שלהם).
 
הריסת ההתאבכות והופעתה מחדש היא הדגמה בסיסית של השפעת הצופה על התוצאה. השליטה בהופעת ההתאבכות והיעלמותה התאפשרה רק במערכת מבוקרת, בעלת צופה אחד ויחיד. במערכות מורכבות, בעלות צופים רבים (כמו למשל המציאות המוכרת לכולנו), קיומם של צופים רבים ובלתי-מבוקרים מונע, למעשה, את גילוי ההתאבכות, ולכן גורם לקיום מתמיד של המופע החלקיקי. זו אחת מהסיבות לכך ששיגור ושידור בני-אדם נותרו - בינתיים - נחלתם של סרטי מדע בדיוני.
 
מערכת הניסוי שבה האלקטרונים מבטאים התאבכות בין שני מסלולים
 
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם